книги / Электромеханические аппараты автоматики
..pdfНа указанных соотношениях основаны способы реализации индуктивных датчиков: а) с переменным числом витков и»; б) с изменяющейся магнитной проницаемостью ра (магнитоуп ругие, подмагничиваемые постоянным током); в) с переменным воздушным зазором или его площадью (сопротивлением /?5); г) с переменным реактивным магнитным сопротивлением .хц, изменяющимся с помощью перемещающегося электромагнит ного экрана или короткозамкнутого витка.
5.8.1.1. СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ИНДУКТИВНЫХ ДАТЧИКОВ
Чаще всего индуктивные датчики включаются в дифферен циальные или мостовые схемы, обеспечивающие большое относительное изменение выходного сигнала и расширение линейной зоны характеристики. Конструкция дифференциаль ного индуктивного датчика содержит два плеча мостовой схемы в виде двух индуктивностей (ш = 2), изменяющихся в противоположных направлениях. В схемах на рис. 5.16 обозначены: Z0— сопротивление обмотки датчика в равновес ном состоянии мостовой схемы; AZ— изменение сопротивления обмотки датчика в результате перемещения якоря х; Z —
Рис. 5.16. Схемы включения и характеристики индуктивных датчиков:
о — мостовая с одним регулируемым плечом; 6 — дифференциальная; в — дифференциальная
четырехобмоточного датчика; |
— с выходом |
на постоянном токе; |
с)— дифференциальная |
с питанием от трансформатора со средней |
точкой; е, ж — дифференциальная фазочув |
||
ствительная; з — характеристика |
схем а — ж \ |
и — характеристика |
схемы ^ |
сопротивление противоположных неизменяемых плеч мостовой схемы; U2— выходное напряжение датчика; Ul — напряжение источника питания. В качестве нерегулируемых плеч мостовой схемы используются:
активные сопротивления R = const;
вторичная обмотка трансформатора со средней точкой; два одинаковых дросселя с обмоткой, имеющей среднюю точку; дифференциальный индуктивный датчик такого же типа,
воспринимающий ту же входную величину (т = 4); такой датчик может быть установлен вне места измерения и не воспринимать входную величину (т = 2). В последнем случае он может служить задатчиком нулевой точки характеристики; две дополнительные обмотки, намотанные параллельно основным на тех же магнитопроводах (т = 4). Такой четырехоб моточный датчик имеет удвоенную чувствительность по срав нению с двухобмоточным, но требует удвоенного количества линий связи. Для получения максимального значения U2max
сопротивления всех плеч моста должны быть одинаковы. Значение Ux ограничено допустимыми значениями превыше
ния температуры обмоточного провода и магнитной индукции в магнитопроводе. Допустимое превышение температуры опре
деляется |
по (5.14), |
где |
вместо |
I 2R подставляется |
значение |
|
|
|
|
|
т |
|
|
|
|
|
|
Л, = ХЛ2Л ,+РСТ, |
(5-27) |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
где /,, |
Л, — ток |
и |
активное |
сопротивление /-й |
обмотки; |
|
P QT— потери мощности |
в стальных участках магнитопровода. |
|||||
Для магнитной индукции в стальных участках магнито |
||||||
провода |
должно |
выполняться |
условие |
|
я |
- |
Ц |
тах |
4,44SCT/ w s’ |
|
где Bs— индукция насыщения |
материала магнитопровода. |
|
Обычно Втах= (0,4 ч-1,0) Тл. |
|
5.8.1.2. ИНДУКТИВНЫЕ ДАТЧИКИ С ПЕРЕМЕННЫМ ЧИСЛОМ ВИТКОВ
Чаще всего изменение числа витков осуществляется с по мощью щетки, скользящей по контактам или по зачищенным от изоляции виткам обмотки. При этом индуктивность L из меняется ступенчато. При переходе щетки с витка на виток они не должны закорачиваться друг на друга, поскольку в этом случае уменьшается индуктивность из-за появления реактивной составляющей магнитного сопротивления
*Ц = ЮИ’к/г, |
(5.28) |
Рис. 5.17. Индуктивный датчик с ем костным переключателем витков
Л
ж
где wK, г— число и активное сопротивление короткозамкнутых витков.
Такие датчики из-за конструктивных и эксплуатационных недостатков нашли ограниченное применение.
При работе на высокой частоте могут быть использованы растягиваемые обмотки в виде пружин с переменным шагом, намотанные неизолированным проводом. Кроме того, применя ются индуктивные датчики с емкостным переключателем витков (рис. 5.17, переключатель обведен штриховым кон туром). Датчик состоит из подвижной обкладки 1 и непо движных обкладок 2, к каждой из которых подключена одна из отпаек 3 обмотки L. Обкладка 1 механически соединена с контролируемым объектом, а электрически— с обмоткой wl трансформатора Т, автотрансформатором и измерительной схемой, состоящей из усилителя и измерительного прибора 4. При перемещении контролируемого объекта возникает емкостная связь обкладки 1 с различными обкладками 2, т. е. изменяется число витков обмотки датчика L, включенных в разные плечи измерительной схемы. Порог чувствительности датчика при активной длине в 1м составляет 2,5-Ю-4 мм, нелинейность характеристики 1,5 -10-3% .
5.8.1.3. МАГНИТОУПРУГИЕ ДАТЧИКИ
Действие этих датчиков основано на свойстве ферромаг нитных материалов изменять магнитную проницаемость при упругих деформациях. Датчик содержит обмотку с замкнутым магнитопроводом, деформирующимся под действием внешних усилий. Полное магнитное сопротивление датчика определяется по (5.26) при /?5 = 0.
Магнитоупругие свойства датчика характеризуются отно сительной чувствительностью по деформации 5 и по механичес кому напряжению Sa:
Рис. 5.18. Магнитоупругие |
датчики: |
|
|
|
|
|
а, б, |
« — с магнитонроводом |
из стали |
или |
феррита; |
г — дифференциальный; д — с |
|
крестообразным расположением обмотки; е— наклеиваемый тензодатчик; |
ж — изменение |
|||||
магнитных свойств в зависимости от механического напряжения |
|
|||||
где |
а — внутреннее |
механическое |
напряжение в |
материале |
||
магнитопровода; Е — модуль |
упругости |
материала |
магнито- |
провода.
Различают продольную (векторы <г и В совпадают по направлению) и поперечную (векторы а и В взаимно перпен дикулярны) чувствительность. Поперечная чувствительность в общем случае не равна продольной.
Для магнитопровода используются ферриты, никель, пер маллой, сплавы никеля с другими материалами и др. Магнитопроводы, работающие на сжатие в продольном направлении, выполняются сплошными или шихтованными. Шихтованные магнигопроводы обеспечивают повышенную стабильность ра боты на растяжение.
Рис. 5.19. Компенсация напря жения разбаланса крестообраз ного датчика
На рис. 5.18 показаны конструкции магнитоупругих дат чиков. Большей чувствительностью обладает датчик с кресто образным расположением обмоток (рис. 5.18, д), действие ко торого основано на различии между поперечной и продольной чувствительностью материала магнитопровода. Под воздейст вием внешнего усилия вертикальная составляющая магнитной проницаемости изменяется сильнее, чем горизонтальная. Тео ретически при механической силе Рмх = 0 (рис. 5.18,0) магнитная связь между первичной и вторичной обмотками отсутствует, поэтому напряжение U2 на выходе датчика должно быть равным нулю. Однако практически возникает напряжение разбаланса U20^0. Для его компенсации применяются раз
личные схемы, одна |
из которых изображена на рис. 5.19. При |
|||||||||
Рмх^ 0 |
магнитный |
поток сцепляется |
с |
двумя обмотками |
||||||
(рис. 5.18, <?) |
и выходное |
напряжение |
U20= 0. |
|
|
|||||
Температурная погрешность магнитоупругих датчиков не |
||||||||||
превышает |
0,5%. |
Частота |
напряжения |
источника |
питания |
|||||
/=50-ь20 000 Гц. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Недостатками магнитоупругих датчиков является относи |
||||||||||
тельно |
невысокая |
точность |
и |
гистерезис |
характеристики |
|||||
(0,5-И ,5%). Повышение |
стабильности |
характеристик |
достига |
|||||||
ется отжигом материала |
магнитопровода |
и снижением меха |
||||||||
н и ч е с к и х |
напряжений до |
15— 20% |
от |
предела |
упругости. |
|||||
Магнитоупругие датчики применяются для измерения боль |
ших усилий (нажатия прокатных валков, массы |
вагонов и т. д.) |
и деформаций в деталях конструкций. Основное |
их преимущест |
во— большая выходная мощность |
(на |
2 — 3 порядка больше, |
чем у проволочных тензодатчиков |
гой |
же массы). |
5.8.1.4. РАЗНОВИДНОСТИ ИНДУКТИВНЫХ |
ДАТЧИКОВ |
Индуктивность L индуктивного датчика рассчитывается по (2.11) с учетом (2.5). При входном перемещении в индуктивном датчике изменяется воздушный зазор 5 или площадь его поперечного сечения Ss (рис. 5.20). Датчики с 8 = var применя ются для измерения малых перемещений (от долей микрометра до 3— 5 мм). Датчики с S=var имеют достаточную линейность характеристик при относительно больших перемещениях л\
п_п_п_п гт_п_п
^ л р р
J vj J
Рис. 5.22. Индуктивный датчик с зубчатыми полюсными наконечниками
противлением используется экранирующее действие проводника на магнитное поле за счет индуктируемых вихревых токов [80]. Экранирующий эффект возрастает с ростом частоты питающего напряжения. Большинство таких датчиков рас считано на частоты до десятков МГц. Для изменения ин дуктивности применяются:
1) короткозамкнутые витки или обмотки, перемещающиеся (рис. 5.23,я) вдоль стержня магнитопровода. Значение лм опре деляется по (5.28);
2) электропроводящая пластина, вводимая в зазор маг нитопровода (рис. 5.23,6) или расположенная около плоской катушки (рис. 5.23,в).
Применяются мостовые, дифференциальные (рис. 5.16) и ре зонансные схемы включения таких датчиков. Преимущества
Рис. 5.23. Датчики с |
.vM= var: |
— с электропроводящей пластиной |
а —с короткозамкнутым |
витком У; |
этих датчиков заключаются в высокой чувствительности и малых габаритах. Недостатки заключаются во влиянии на характеристи ки датчиков индуктивностей и емкостей линий связи и чувствите льности к близко расположенным металлическим массам.
5.8.2. Трансформаторные датчики
В трансформаторных датчиках (рис. 5.24) изменяется маг нитная связь между обмотками. Напряжение вторичной об мотки определяется по (2.16). Напряжение питания определяется исходя из допускаемых значений индукции Втах в магнитопроводе и превышения температуры обмоток. В таких датчиках отсутствует гальваническая связь между напряжением питания и вторичной обмоткой.
Существуют разнообразные конструкции трансформаторных датчиков (рис. 5.24).
Рис. 5.24. Трансформаторные датчики:
а -одинарньГ; б, в — дифференциальные; г — выходная характеристика для а и б
228
Для |
конструкции |
5.24, а |
|
|
U i= U \ + U1; |
I= U J{z' + z " ) = U \lz \ |
|
где |
|
|
|
|
z' = z\ |
z"«(oL = coiv i A; A= p056/28. |
|
Тогда |
|
|
|
U\ = Ul z"l(: + z"): U2= U \ и-2/и’, = |
|||
|
|
|
Wl\ l+ mVjii0s J |
Для |
конструкции |
рис. 5.24,6 |
|
|
Hi = U'[ + U\\ |
Цг= и'1 - Ц ”г=— Ш.\-Ц\). |
|
|
|
|
VI'j |
Отношение напряжений
U \IU '[^L '/L " = Л'/Л" = 575',
поэтому
H2lHi — w2(5" —5')/w1(5" + 5'),
откуда
и2 = и 1 IV2 ( 5 " - 5 ' ) / W 1 (5" + 5').
Вконструкции рис. 5.24, в при перемещении якоря изменя ется распределение магнитного потока во вторичных обмотках. Если число витков на единицу перемещения
w0 = w2/x,
то
5.8.3. Индуктивные и трансформаторные датчики больших перемещений
Датчики больших (до нескольких метров) перемещений строятся так, что выходной сигнал изменяется не непрерывно, а периодически, совершая десятки и сотни периодов колебаний за полное перемещение хтах контролируемого органа. При мером такого датчика является индуктосин (рис. 5.25). На подвижной и неподвижной стеклянных пластинах выполнены петлевые обмотки. На неподвижной пластине расположена однофазная выходная обмотка EF, на подвижной— двухфазная АВ— CD. Между пластинами имеется воздушный зазор 5^0,1 мм. При взаимном перемещении пластин взаимоиндуктивность между обмотками изменяется по синусоидальному закону. Питание схемы осуществляется двумя напряжениями,
АВ CD
°-) _______________________ В)
Рис. 5.25. Элементы индуктосина: неподвижная (а) и подвижная (б) пластины;
магнитная связь между обмотками (<?)
сдвинутыми между собой на 90° и подаваемыми на двухфазную обмотку АВ — CD. При перемещении подвижной пластины в выходной обмотке индуктируется ЭДС, фаза ср которой зависит от взаимного расположения пластин:
|
2я , |
|
Ф = — (х+т ш), |
|
|
где х а ш— составляющая |
перемещения; |
/ш— шаг обмотки; |
п— число шагов обмотки, |
приходящееся |
на перемещение. |
Существуют индуктосины с угловым перемещением выход ной обмотки. Другим примером датчика больших перемещений является винтовой трансформаторный датчик (рис. 5.26). Он
Рис. 5.26. Винтовой трансформаторный датчик:
1 — обмотка головки; 2 — двухзаходный |
винт с бифилярной обмоткой; |
3 — токосъемный |
механизм |